Light：戴道锌 & 倪振华 | 高性能硅-石墨烯混合等离激元波导光电探测器

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图片来源：interferencetechnology

撰稿 | 戴道锌

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导读

近日，浙江大学光电学院戴道锌教授课题组与东南大学倪振华教授课题组等合作在硅基石墨烯光电探测器件领域取得重要研究进展。

他们提出了一种新型硅-石墨烯-金属混合等离激元波导，采用超薄超宽硅脊型芯区结构，获得石墨烯光吸收增强的同时有效降低了金属吸收损耗，进而实现了具有高响应度和高速度的硅基-石墨烯波导光电探测器：

在2μm波段，其3dB带宽>20 GHz、响应度达70 mA/W；

在1.55 μm波段，其3dB带宽>40 GHz、响应度达400 mA/W，

可应用于1.55/2μm波段光通信及光传感等领域，有力推动了新波段硅+光子学 （Silicon-plus photonics）研究。

相关成果于2月28日，以“High-performance silicon-graphene hybrid plasmonic waveguide photodetectors beyond 1.55 μm”为题在线发表于国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》。论文第一作者为浙江大学博士后郭敬书、博士生李江，通讯作者为戴道锌教授。

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研究背景

硅基光电子具有CMOS兼容、高集成度、可大规模集成等突出优点，已成为集成光学领域新兴的主流技术，在1.31/1.55 μm近红外波段光通信/互联等领域发挥重要作用。

近年来，硅基光电子正不断向2 μm及更长波段（中红外）推进，以满足未来光通信及先进光传感等重大需求。

因此亟需发展各类新波段的高性能硅基光电子器件，作为核心器件的光电探测器一直备受关注。

然而，传统半导体光电材料往往工作波段受限、工艺难以兼容等问题。

以石墨烯为代表的二维材料为解决这一难题提供了重要途径。特别是，其可调带隙使之具有宽光谱吸收特性，且避免了晶格失配/热膨胀失配等工艺问题。

而将石墨烯与硅纳米光波导相结合，可通过延长作用距离来增强光-石墨烯相互作用。

因此，硅-石墨烯波导光电探测器倍受关注且已取得系列进展，但仍需进一步研究以提升其响应度及响应速度等方面性能。

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创新研究

在论文中，研究者提出了一种新型硅-石墨烯-金属混合等离激元波导，采用超薄超宽硅脊型芯区结构，通过其模场调控，获得石墨烯光吸收增强的同时有效降低了金属吸收损耗，进而实现了具有高响应度和高速度的硅基-石墨烯波导光电探测器。

图1. 硅-石墨烯混合等离激元波导光电探测器

（a）器件结构原理示意图

（b）实物显微镜图

（c）SEM图

（d）硅-石墨烯混合等离激元波导截面示意图

其特点是：

在垂直方向上，采用超薄硅芯区结构以增强其倏逝场从而增强光-石墨烯相互作用；

而在水平方向，采用超宽硅脊结构以显著减小金属引入的光吸收，从而允许引入较宽金属电极以获得较小的金属-石墨烯接触电阻，进而有利于获得更高响应速度。

例如，对于2μm波段（单层石墨烯），仅需50 μm长度即可实现68.6 %光吸收率；

对于1.55μm波段，则仅需20 μm长度即可实现54.3%光吸收率。

该论文还系统分析了其光热电效应、辐射热效应、光电导效应等光电探测机制，阐明了不同偏压及石墨烯掺杂条件下形成的不同主导工作机制。

基于这种新型硅-石墨烯-金属混合等离激元波导，研究者实现了具有低偏压、高响应度和高速度的硅基-石墨烯波导光电探测器：

在2μm波段，其3dB带宽>20 GHz、响应度达70 mA/W（偏压V=−0.3V，输入光功率P=0.28 mW）；

在1.55μm波段，其3dB带宽>40 GHz、响应度达400 mA/W（偏压V=−0.3V，输入光功率P=0.16mW）。

可应用于1.55/2μm波段光通信及光传感等领域。

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研究人员简介

戴道锌，浙江大学求是特聘教授/博士生导师、国家杰出青年科学基金获得者、浙江省高校高水平创新团队负责人，现为光电科学与工程学院副院长、教育部光子学与技术国际合作联合实验室主任。2000年6月毕业于浙江大学获学士学位，同年免试提前攻读博士学位，2004年初赴瑞典皇家工学院电子工程学系学习与研究，并于2005年6月获博士学位。之后受聘于浙江大学历任助理研究员/师资博士后、副教授，2011年12月晋升为教授。曾赴香港中文大学（2005）、韩国仁荷大学（2007）、美国加州大学圣巴巴拉分校UCSB（2008-2011）等机构访问研究。长期致力于高性能与高集成度硅基集成光子器件及其在光通信/光互连与光传感等方面的应用研究，提出了硅基非对称波导耦合结构及其模式调控系列方法，在偏振调控、模式复用、可调谐-切换器件等方面取得重要进展。

担任《Optics Letters》Topical Editor、《IEEE Photonics Technology Letters》Associate Editor、《Optical and Quantum Electronics》Executive Editor、《IEEE JSTQE》客座编辑、《IEEE JLT》客座编辑、《半导体学报》编委会委员、《中国光学》青年编委。

倪振华，东南大学物理学院院长，博士生导师，东南大学青年首席教授。2003年本科毕业于上海交通大学物理系，同时获得了电子科学与技术的第二专业本科学位。2007年于新加坡国立大学物理系获得博士学位。2007-2010年在新加坡南洋理工大学物理系从事博士后研究工作，并于2009年获得英国政府“Researcher exchange programme Award” 前往英国曼彻斯特大学Andre Geim教授（2010年诺贝尔物理学奖得主）研究组做访问学者。2010年加入东南大学物理学院。主要研究方向为二维层状材料（石墨烯、二硫化钼、黑磷等）的光学与光电性能。

担任中国物理学会光散射专业委员会委员，Scientific Reports以及Frontiers in Condensed Matter Physics编委,《中国光学》青年编委。

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